University of Oulu

Single photon Avalanche detector devices and circuits for miniaturized 3D imagers

Saved in:
Author: Jahromi, Sahba S.1,2,3
Organizations: 1University of Oulu Graduate School
2University of Oulu, Faculty of Information Technology and Electrical Engineering
3University of Oulu, Infotech Oulu
Format: ebook
Version: published version
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789526226323
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2020
Publish Date: 2020-05-26
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic dissertation to be presented with the assent of the Doctoral Training Committee of Information Technology and Electrical Engineering of the University of Oulu for public defence in Auditorium L9, Linnanmaa, on 5 June 2020, at 12 noon
Tutor: Professor Juha Kostamovaara
Reviewer: Professor Horst Zimmermann
Associate Professor Lucio Pancheri
Opponent: Professor Kari Halonen
Description:

Abstract

In this thesis, a solid-state 3D imager receiver architecture based on the direct time-of-flight (dTOF) technique is discussed, implemented and tested. The distinctive feature of this work is the combination of a unique laser diode (LD) transmitter operating in enhanced gain-switching mode and a highly integrated single-chip SPAD/TDC array receiver. The LD transmitter is capable of producing short/energetic (~100-200 ps FWHM/~1-5 nJ) laser pulses at pulsing frequencies of some hundreds of kHz with a rather simple driver structure and small size. Another distinction of this work is the receiver IC architecture strategy of separating the SPAD array from all the on-chip electronics in a dedicated chip area, with the aim of achieving a high fill factor.

To evaluate the above-mentioned architecture, a receiver IC based on SPAD/TDC arrays was developed in a 0.35 μm HVCMOS technology. This IC, which included 9x9 SPADs and 9+1 TDCs, was paired with an LD transmitter and tested in a 3D imager prototype. The verification measurements of circuit/system-level performance confirmed the possibility of a compact low-cost solid-state 3D imager with spatial resolution of a few kilo pixels, cm-level depth precision and a frame rate of tens of fps based on the given architecture.

Working from the results obtained with the first prototype, a second IC was designed and manufactured in the same HVCMOS technology, which was a combination of a 128x32 SPAD array and a 256+1 TDC array. Two ICs were used to form a receiver with 8-kilo pixel spatial resolution and combined with a LD transmitter into a compact USB-powered 3D imager (total size 5x7x4 cm3). The LD transmitter provided an average optical power of 1 mW at a wavelength of 810 nm, producing 150 ps pulses at a pulsing frequency of 250 kHz and targeting a field-of-view of ~42°x21° with flood-pulsed illumination by means of simple optics. The 3D imager demonstrated frame rates of 5-10 fps with cm-level precision in the case of Lambertian targets within a range of 5 m.

see all

Tiivistelmä

Työssä on suunniteltu, toteutettu ja testattu vastaanotinarkkitehtuuri 3D etäisyyskuvantamiseen. Mittaus perustuu tietyssä toimintamuodossa olevan, tarkoitusta varten suunnitellun laserdiodin tuottamien pulssien kulkuaikojen mittaamiseen korkean integraatioasteen omaavalla, yksittäisiä fotoneja ilmaisemaan kykenevällä SPAD/TDC IC-piirillä. Laserdiodilähetin tuottaa lyhyitä ja energisiä (~100-200 ps FWHM/~1-5 nJ) laserpulsseja satojen kHz:n pulssitaajuudella pieneen tilaan toteutetun elektroniikan ohjaamana. Eräs työn tärkeä piirre on valittu vastaanotinarkkitehtuuri, jossa fotoni-ilmaisinmatriisi (SPAD-matriisi) on erotettu muusta vastaanotinelektroniikasta korkean ilmaisuhyötysuhteen aikaansaamiseksi.

Arkkitehtuurievaluaatiota varten työn alussa kehitettiin 0,35 μm:n HVCMOS-teknologiassa toteutettu vastaanotin IC-piiri, joka sisältää 9x9 fotoni-ilmaisinta ja 9+1 aika-digitaali-muunninta samalla sirulla. 3D testimittaukset varmensivat arkkitehtuurin toimivuuden ja osoittivat, että siihen perustuen on mahdollista kehittää edullinen, ilman liikkuvia osia toimiva 3D kuvanninteknologia, jolla voidaan saavuttaa cm-luokan etäisyysmittaustarkkuus ja muutaman kilopikselin spatiaalinen resoluutio sekunnin murto-osien mittausnopeudella.

Näihin tuloksiin perustuen työn seuraavassa vaiheessa suunniteltiin laajempi vastaanotin IC, jossa on 32x128 pikseliä sisältävä fotoni-ilmaisinmatriisi ja 256+1 aika-digitaali -muunninta samalla sirulla. Piiri toteutettiin 0,35 µm:n HVCMOS teknologiassa. Kahta tällaista vastanotinta käyttäen toteutettiin kompakti (koko 5x7x4 cm3 laserlähettimen kanssa), USB-väylästä virroitettu 8 kilopikselin 3D etäisyyskuvannin. Laserdiodilähettimen keskimääräinen optinen teho on n. 1 mW ja se toimii 810 nm:n aallonpituudella. Lähetin tuottaa 150 ps:n pulsseja 250 kHz:n pulssitaajuudella kuvantimen ~42°x21° mittausavaruuteen. Toteutettu 3D kuvannin tuottaa etäisyyskuvia n. 5 m:n etäisyydellä olevista kohteista cm-luokan tarkkuudella 5-10 kuvaa sekunnissa mittausnopeudella.

see all

Series: Acta Universitatis Ouluensis. C, Technica
ISSN: 0355-3213
ISSN-E: 1796-2226
ISSN-L: 0355-3213
ISBN: 978-952-62-2632-3
ISBN Print: 978-952-62-2631-6
Issue: 752
Subjects:
TDC
TDC